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1、第三章 染色体和基因,1 染色体概述2 原核生物的染色体及其基因3 真核生物的染色体4.真核生物的基因,1 染色体概述,染色体的发现从19世纪中期到20世纪初，显微技术的发展使人们关于细胞结构尤其是细胞核的研究，有了长足的进展。,Microscope made by Robert Hooke,Microscope made by Charles Chevalier 1840,1842年，德国科学家C.von Ngeli首次注意到细胞核内的着色物质。,18791885年间，W.Flemming描述了细胞分裂过程中这些易被碱性染料着色的物质在细胞周期内的活动。,直到1888年，细胞生物学家Wilh
2、elm Waldeyer才把光学显微镜下观察到的、真核细胞分裂时细胞核中呈棒状可染色的结构，正式命名为染色体（chromosome）。,19世纪60年代，奥地利植物学家格里戈尔孟德尔已经通过植物杂交实验提出了“遗传因子”的概念，并发现了生物遗传的分离定律和自由组合定律。然而遗憾的是，这一划时代的发现，当时并没有引起人们的重视。,1900年，Hugo de Vries、Carl Correns和Erich Tschermak三位不同国籍的科学家各自独立地重新发现了Mendel 1866年发表的研究成就现代遗传学时代开始了。遗传学研究有力地推动了细胞学的进展。,1902年，T.Boveri和W.S
3、.Sutton从细胞的成熟分裂与受精过程中发现孟德尔所说的遗传因子从亲代到子代的传递过程与细胞内染色体从亲代到子代的传递过程存在着平行现象，所以他们认为遗传因子（基因）可能存在于染色体上，从而为遗传学的染色体理论奠定了基础。1909年，丹麦植物学家和遗传学家Wilhelm Ludwig Johannsen首次提出“基因”这一名词，用以表达Mendel的遗传因子概念。,母性的生殖核,蛔虫,蚱蜢,蝗虫,减数分裂的前期,1910年，美国著名的遗传学家Morgan和他的助手们从白眼突变的雄果蝇中发现性连锁现象，第一次将代表某一特定性状的基因同某一特定的染色体联系起来，证明了基因就是在染色体上，并提出了
4、经典遗传学的连锁与互换定律。Morgan证实基因是遗传单元，在染色体上呈线状排列。Morgan的理论使科学界认识了染色体的重要性，并接受了孟德尔的遗传原理。,细胞骨架,染色体是遗传物质的主要载体亲代能够将自己的遗传物质以染色体的形式传给子代，保持了物种的稳定性和连续性。由于细胞内的DNA主要在染色体上，所以说遗传物质的主要载体是染色体。,染色体的组成染色体主要由DNA和蛋白质组成。同一物种内每条染色体所携带DNA的量是一定的，但不同染色体或不同物种之间变化很大。同一物种体细胞内染色体的数目恒定。组成染色体的蛋白质（组蛋白和非组蛋白）种类和含量也是十分稳定的。,2 原核生物的染色体及其基因,原核
5、生物的遗传物质以裸露的核酸分子存在，虽与少量蛋白质结合，但不形成染色体结构。原核生物一般只有一个染色体，即一个核酸分子（DNA或RNA）。大多数为双螺旋结构，少数以单链形式存在。这些核酸分子大多数为闭合环状，少数为线状。,大肠杆菌E.coli的染色体大肠杆菌没有明显的核结构，但其DNA有一个相对集中的区域，在这一个小区域中形成类核（nucleoid）。类核的DNA成分占80，其余为RNA和蛋白质。用RNA酶或蛋白酶处理类核，可使之由致密变得松散。表明RNA和某些蛋白质分子起到稳定类核的作用。,大肠杆菌染色体是由4.2106碱基对组成的双链环状DNA分子，在DNA结合蛋白质的作用下压缩成一个手脚
6、架形（scaffold）结构。大肠杆菌染色体形成100个左右的小区（domain），小区内都是负超螺旋。用微量的DNAase处理时，只能使一小部分的DNA由超螺旋状态变成松弛状态。,大肠杆菌E.coli的基因大肠杆菌功能上相关的几个结构基因前后相连，再加上一个共同的调节基因和一组共同的控制位点即启动子（promotor）和操纵子（operator）在基因转录时协同作用。细菌基因表达调控的这样一个完整单元，称为操纵元（operon）。对基因表达过程实行调节控制，也是最有效的一种调节控制。,乳糖,lacZ编码-半乳糖苷酶，lacY编码-半乳糖苷透性酶，lacA编码-半乳糖苷转乙酰基酶。,大肠杆菌编
7、码蛋白质的基因通常以单拷贝的形式存在。RNA基因通常是多拷贝的。16S rRNA，23S rRNA和5S rRNA各有7个拷贝，以便在短时间内装配大量的核糖体。各种启动子和操纵子部分的DNA具有多样性，以便与RNA聚合酶以及调节基因的产物阻遏蛋白发生不同程度的结合，以便进行更精细的调节。,大肠杆菌噬菌体174染色体大肠杆菌噬菌体174染色体其DNA为单链环状，共有5386个核苷酸。其DNA序列于1977年由Sanger分析确定。174共有11个基因。,大肠杆菌噬菌体174基因174 的11个基因只转录成三个mRNA。174 的DNA分子绝大部分用来编码蛋白质，不翻译的部分只占4（217/538
8、6）。174基因排列上最显著的特点是有重叠基因和基因内基因。,噬菌体染色体噬菌体的双链DNA有两种形式，一种是带有切刻的环状分子，切刻部分通过粘性末端的互补碱基之间的氢键而连接。另一种形式是两个粘性末端相互分离，形成线性分子。噬菌体共有48,502碱基对，包装在由蛋白质组成的头部外壳之中。,噬菌体在大肠杆菌体内可以呈环形分子游离存在于细胞质中，也可以通过整合酶的作用而整合到寄主染色体上成为原噬菌体状态，并与寄主染色体一起复制。这种现象成为溶原化。噬菌体编码整合酶（integrase）。这个酶能指导噬菌体DNA插入E.coli染色体中。,attB由称为BOB的序列组成，而attP由POP组成。O
9、是核心序列，是attB和attP所共同的。而其两侧的序列是B，B和P，P，被称为臂。噬菌体DNA是环状的，重组时被整合入细菌染色体中，成为线性序列。前病毒的两侧是两个新的杂种att位点，左侧称为attL，由BOP组成，而右侧为attR，由POB组成。,整合作用宿主因子（IHF，integration host factor）；噬菌体和细菌DNA发生重组交叉的特异位点（称为attP和attB，att源自attachment）,3 真核生物的染色体,染色质和染色体染色质（chromatin）是指真核生物细胞核内细胞分裂间期能被碱性染料着色的物质，由DNA、组蛋白、非组蛋白和少量RNA所组成的复合物
10、，是细胞分裂间期遗传物质的存在形式。,核仁,染色体(chromosome)是真核生物细胞分裂中期具有一定形态特征的高度浓缩的染色质，现在这一概念已扩大为包括原核生物及细胞器在内的基因载体的总称。染色质和染色体是真核生物遗传物质存在的两种不同形式，反映了它们处于细胞分裂周期的不同功能阶段，两者不存在成分上的差异。,真核生物染色体的组成在真核生物的染色体中，DNA约占27，组蛋白和非组蛋白占66，RNA占6。一个染色体（单体）只含有一个DNA分子。人类染色体平均有1.27 108碱基对,每个体细胞的细胞核内含有DNA 6.4 pg。,真核生物染色体的一般形态特征1 主缢痕（primary cons
11、triction）和着丝粒（centromere）细胞分裂中期的染色体上有一个相对不着色的缢缩部位，称为主缢痕。着丝粒是染色体上主缢痕处的染色质部分，是纺锤丝的附着部位。着丝粒使染色体在细胞分裂时表现出形态上的不连续性。着丝粒是一段高度重复的DNA序列，不能与组蛋白结合，却与其他蛋白质结合形成动粒（kinetochore）。,着丝点,着丝粒,染色单体,复制状态,根据着丝粒的位置，可以将染色体分为以下几种类型：中着丝粒染色体 近中着丝粒染色体 近端着丝粒染色体 端着丝粒染色体,2 次缢痕（secondary constriction）和随体（satellite trabant）在染色体组中，除每
12、一条染色体都有主缢痕外，在个别染色体上还有另外一个染色较淡的缢缩部位，称为次缢痕。次缢痕通常出现在染色体末端的近旁，一般位于染色体的短臂上。这一区域与末期核仁形成有关，并在间期和前期与核仁联系在一起，因而被称为核仁组织区。,随体 与次缢痕相连的圆形或椭圆形小体，称为随体。随体通过随体柄连接到染色体短臂上。目前认为随体几乎全部是异染色质，不具有常染色质所具有的遗传活性。随体是识别染色体的重要特征之一。,3 染色粒（chromomere）在减数分裂的粗线期，沿染色体全长分布的具有恒定大小和一定位置的念珠状突起，称为染色粒。目前对染色粒形成的解释是连续的DNA链的局部螺旋化所致。它可能相当于DNA的
13、复制单位，RNA的合成和加工单位。,里程碑,划时代的事,4 端粒（telomere）端粒是染色体上增大的末端染色粒，是染色体的组成部分。端粒能封闭正常染色体末端，具有端粒的染色体末端不能与其他断裂的染色体末端连接，维持了染色体结构的完整性。,保证了染色体末端的完整复制端粒使染色体具有极性（polarity），保证了染色体在细胞周期中的正常行为。在维持细胞核的三维结构及染色体配对中起一定的作用。,原生动物,代理母亲,乳腺细胞,5 染色单体中期染色体由两条染色单体所组成，两者在着丝粒的部位相互结合。从遗传组成来说，两者的DNA和蛋白质是相同的，它是经过细胞分裂间期DNA和蛋白质复制而形成的。在有丝
14、分裂中期，两条染色单体通过着丝粒排列在赤道的两侧，有丝分裂后期两条染色单体分开，并向两极移动，并最终分布于两个子细胞中。,染色体功能实现的三要素着丝粒在染色体有丝分裂和减数分裂过程中发挥重要的作用。端粒封闭了染色体的末端并且维持了染色体的稳定性。复制起点是DNA复制起始和染色体数目的维持所必需的。酵母的自主复制序列（autonomously replicating sequence，ARS）被认为是真正的复制起点。,真核生物染色体的超微结构染色体包装的结构模型（1）染色质结构的念珠模型 核小体（nucleosome）是染色体包装的基本单位。Kornberg（1974）主张染色质是由一系列核小体
15、相互连接而成的念珠状结构。核小体是由200 bp DNA双螺旋与一个组蛋白八聚体和一个分子的组蛋白H1所组成。,一般真核生物染色体上共有5种组蛋白，H1、H2A、H2B、H3和H4。后4种组蛋白分子根据配对的亲和力差异，组成了扁圆柱形八聚体核心，直径2 nm的DNA分子在八聚体的外面缠绕1.75圈。组蛋白H1与特定的DNA构象的结合，封住了核小体的出口和入口。念珠模型是染色质的一级结构，不仅得到了电镜工作的支持，还得到了生化工作的支持。,（2）染色体包装的螺线体模型（solenoid model）J.T.Finch（1976）等提出螺线体由核小体链呈螺旋形旋绕而成，其直径为30 nm，呈中空的
16、管状结构。螺线体的每一周螺旋包括6个核小体。螺线体是染色质的二级结构。,（3）染色体包装的支架环（scafold loop）模型Laemmli等发现每个染色单体均由染色质纤维所构成的环所组成。每个环大约含有75 kb的DNA，环附着在中央酸性非组蛋白组成的支架上。支架环进一步包装形成染色单体。特殊类型的染色体灯刷染色体和多线染色体中也可以看到上述的支架环结构。大肠杆菌的环结构域与支架环相似。,常染色质和异染色质常染色质是指细胞分裂间期染色质丝折叠盘曲程度较小，进行细胞染色时染色较淡，随着细胞分裂的进行，这些染色质区段由于逐步的螺旋化，从而染色逐渐加深，这样的染色质区称为常染色质。在遗传功能上，常染色质含有结构基因，而且具有较强的转录活性，其结构基因按孟德尔方式遗传。,异染色质在细胞分裂的间期就折叠盘曲的非常紧密，因而染色较深，也称作染色中心（chromocenter）。随着细胞分裂的进行，其折叠盘曲程度没有太大的变化，这部分染色质区段称为异染色质。如着丝粒、染色体末端部分以及核仁组织区等部位的染色质。异染色质化可能是关闭基因活性的一种手段。常染色质和异染色质的相互转化可能在结构基因的表达调控上起一定的作用。,
